Фундаментальные физические постоянные

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Фундамента́льные физи́ческие постоя́нные — постоянные, входящие в уравнения, описывающие фундаментальные законы природы и свойства материи[1]. Фундаментальные физические постоянные возникают в теоретических моделях наблюдаемых явлений в виде универсальных коэффициентов в соответствующих математических выражениях.

Слово «постоянная» в физике употребляется в двояком смысле:

  • численное значение некоторой величины вообще не зависит от каких-либо внешних параметров и не меняется со временем,
  • изменение численного значения некоторой величины несущественно для рассматриваемой задачи.

Например, в небесной механике гелиоцентрическая постоянная считается постоянной, хотя она уменьшается с уменьшением массы Солнца, однако это изменение несущественно для космических полётов. Также в физике высоких энергий постоянная тонкой структуры, характеризующая интенсивность электромагнитного взаимодействия, растёт с ростом переданного импульса (на малых расстояниях), однако её изменение несущественно для широкого круга обычных явлений, например, для спектроскопии.

Физические постоянные делятся на две основные группы — размерные и безразмерные постоянные. Численные значения размерных постоянных зависят от выбора единиц измерения. Численные значения безразмерных постоянных не зависят от систем единиц и должны определяться чисто математически в рамках единой теории. Среди размерных физических постоянных следует выделять константы, которые не образуют между собой безразмерных комбинаций, их максимальное число равно числу основных единиц измерения — это и есть собственно фундаментальные физические постоянные (скорость света, постоянная Планка и др.). Все остальные размерные физические постоянные сводятся к комбинациям безразмерных постоянных и фундаментальных размерных постоянных. С точки зрения фундаментальных констант, эволюция физической картины мира — это переход от физики без фундаментальных констант (классическая физика) к физике с фундаментальными константами (современная физика). Классическая физика при этом сохраняет своё значение как предельный случай современной физики, когда характерные параметры исследуемых явлений далеки от фундаментальных постоянных.

Скорость света появилась ещё в классической физике в XVII в., но тогда она не играла фундаментальной роли. Фундаментальный статус скорость света приобрела после создания электродинамики Дж. К. Максвеллом и специальной теории относительности А. Эйнштейном (1905). После создания квантовой механики (1926) фундаментальный статус приобрела постоянная Планка h, введенная М. Планком в 1899 г. как размерный коэффициент в законе теплового излучения. К фундаментальным постоянным также ряд учёных относит гравитационную постоянную G, постоянную Больцмана k, элементарный заряд e (или постоянную тонкой структуры α) и космологическую константу Λ. Фундаментальные физические постоянные являются естественными масштабами физических величин, переход к ним в качестве единиц измерения лежит в основе построения естественной (планковской) системы единиц. К фундаментальным постоянным в силу исторической традиции также относят и некоторые другие физические постоянные, связанные с конкретными телами (например, массы элементарных частиц), однако эти постоянные должны, согласно современным представлениям, каким-то пока неизвестным образом выводиться из более фундаментального масштаба массы (энергии), так называемого вакуумного среднего поля Хиггса.

Международно принятый набор значений фундаментальных физических констант и коэффициентов для их перевода регулярно публикуется[2] Рабочей группой CODATA по фундаментальным константам.

Фундаментальные физические постоянные[править | править вики-текст]

Основной источник: [2]
Величина Символ Значение Прим.
скорость света в вакууме \ c 299 792 458 м·с−1
= 2,99792458·108 м·с−1
точно
гравитационная постоянная \ G 6,674 08(31)·10−11 м3·кг−1·с−2 a
постоянная Планка (элементарный квант действия) \ h 6,626 070 040(81)·10−34 Дж·с a
постоянная Дирака (приведённая постоянная Планка) \hbar = h/2\pi 1,054 571 800(13)·10−34 Дж·с a
элементарный заряд \ e 1,602 176 6208(98)·10−19 Кл
= 4,803 204 673(29)·10−10 абсол. электростат. ед.
a
постоянная Больцмана \ k 1,380 648 52(79)·10−23 Дж·К−1 a

Планковские величины (размерные комбинации постоянных c, G, h, k)[править | править вики-текст]

Название Символ Значение Прим.
планковская масса m_p = (\hbar c / G)^{1/2} 2,176 470(51)·10−8 кг[3] a
планковская длина l_p = (\hbar G / c^3)^{1/2} 1,616 229(38)·10−35 м[4][5] a
планковское время t_p = (\hbar G /c^5)^{1/2} 5,391 16(13)·10−44 с[6] a
планковская температура T_p = \frac{1}{k} (\hbar c^5 / G)^{1/2} 1,416 808(33) ·1032 K[7] a

Постоянные, связывающие разные системы единиц, и Переводные множители[править | править вики-текст]

Название Символ Значение Прим.
постоянная тонкой структуры \alpha = e^2 /4 \pi \varepsilon_0 \hbar c (система СИ) 7,297 352 5664(17)·10−3 a
\alpha^{-1} 137,035 999 139(31) a
электрическая постоянная \varepsilon_0 = 1/(\mu_0 c^2) 8,854 187 817 620… ·10−12 Ф·м−1 точно
атомная единица массы \ m_u = 1 а. е. м. 1,660 539 040(20)·10−27 кг
= (6,022 140 857(74)·1023)−1 г,
или г·(а.е.м.)−1[8]
a
1 а.е.м. 1,492 418 062(18)·10−10 Дж
= 931,494 0954(57)·106 Эв
= 931,494 0954(57) МэВ[9]
постоянная Авогадро \ L, N_A 6,022 140 857(74)·1023 моль−1[10] a
1 электронвольт эВ 1,602 176 6208(98)·10−19 Дж
= 1,602 176 6208(98)·10−12 эрг
1 калория 1 кал 4,1868 Дж
литр·атмосфера 1 л·атм 101,325 Дж
2,30259 RT[11] 5,706 кДж·моль−1 (при 298 К)
1 кДж·моль−1 83,593 см−1[12]

Электромагнитные постоянные[править | править вики-текст]

Название Символ Значение Прим.
магнитная постоянная[13] \mu_0 = 1/(\varepsilon_0 c^2) 4 \pi \times 10^{-7} Гн/м = 1,25663706… ·10-6 Гн·м−1 = 1,25663706… ·10-6 Н·А−2 (через основные единицы СИ: кг·м·с-2·А-2) точно
волновое сопротивление вакуума[14] Z_{0} = \mu_0 c = \frac{1}{\varepsilon_0 c} 119.9169832 \; \pi ~ \Omega точно, или \approx 376.730\ 313\ 461\ 77\ldots ~ \Omega. точно
электрическая постоянная \varepsilon_0 = 1/(\mu_0 c^2) 8,854 187 817 620… ·10−12 Ф·м−1 (через основные единицы СИ: кг−1·м−3·с4·А2) точно
постоянная Кулона k=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0} 8,987 551 787… × ·109 Ф−1·м (через основные единицы: кг·м3·с−4·А−2) точно

Некоторые другие физические постоянные[править | править вики-текст]

Название Символ Значение Прим.
Массы элементарных частиц:
масса электрона
\ m_e 9,109 383 56(11)·10−31 кг (абсол.)
= 0,0005485799090(16) а.е.м. (относит.)
a
масса протона \ m_p 1,672 621 898(21)·10−27 кг
= 1,007276466879(91) а.е.м.
a
масса нейтрона \ m_n 1,674 927 471(21)·10−27 кг
= 1,008 664 915 88(49) а.е.м.
a
М протон плюс электрон (абсолютная масса атома водорода 1H) \ m_{p+e} = 1,673 532 836(57)·10−27 кг
= 1,007 825(04719) а.е.м. (относит.)
магнитный момент электрона \mu_e −928,476 4620(57)·10−26 Дж·Тл−1 a
магнитный момент протона \mu_p 1,410 606 7873(97)·10−26 Дж·Тл−1 a
магнетон Бора \mu_B = e\hbar / 2m_e 927,400 9994(57)·10−26 Дж·Тл−1[15] a
ядерный магнетон \mu_N 5,050 783 699(31)·10−27 Дж·Тл−1 a
g-фактор свободного электрона g_e=2 \mu_e/\mu_B 2,002 319 304 361 82(52) a
гиромагнитное отношение протона \gamma_p = 2\mu_p/\hbar 2,675 221 900(18)·108 с−1·Тл−1 a
постоянная Фарадея \ F = N_A e 96 485,332 89(59) Кл·моль−1 a
универсальная газовая постоянная \ R = k N_A 8,314 4598(48) Дж·К−1·моль−1
= 0,082057 л·атм·К−1·моль−1
a
молярный объём идеального газа (при 273,15 К, 101,325 кПа) \ V_m 22,413 962(13)·10−3 м³·моль−1 a
стандартное атмосферное давление (н.у.) атм 101 325 Па точно
боровский радиус a_0 = \alpha/(4 \pi R_\infin) 0,529 177 210 67(12)·10−10 м a
энергия Хартри E_h = 2 R_\infin h c 4,359 744 650(54)·10−18 Дж a
постоянная Ридберга R_\infin = \alpha^2 m_e c / 2h 10 973 731,568 508(65) м−1 a
первая радиационная постоянная c_1 = 2\pi h c^2 3,741 771 790(46)·10−16 Вт·м² a
вторая радиационная постоянная c_2=hc/k 1,438 777 36(83)·10−2 м·К a
постоянная Стефана-Больцмана \sigma = (\pi^2/60) k^4/\hbar^3 c^2 5,670 367(13)·10−8 Вт·м−2·К−4 a
постоянная Вина b = c_2/4,965114231... 2,897 7729(17)·10−3м·К а
стандартное ускорение свободного падения на поверхности Земли (усреднённое) g_n 9,806 65 м·с−2 точно
Температура тройной точки воды T_0 273,16 K точно

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Фундаментальные физические константы // Физическая энциклопедия, т. 5. М.: Большая Российская энциклопедия, 1998, с. 381—383.
  2. 1 2 CODATA Internationally recommended values of the Fundamental Physical Constants
  3. Planck mass. physics.nist.gov. Проверено 28 июня 2015. Архивировано из первоисточника 3 сентября 2013.
  4. NIST, «Planck length»  (англ.), NIST’s published CODATA constants
  5. Fundamental Physical Constants — Complete Listing
  6. Planck time. physics.nist.gov. Проверено 28 июня 2015. Архивировано из первоисточника 3 сентября 2013.
  7. Planck temperature. physics.nist.gov. Проверено 28 июня 2015. Архивировано из первоисточника 3 сентября 2013.
  8. Читается: грамм(ов) на 1 атомную единицу массы
  9. из соотношения E = mc2
  10. Avogadro constant — CODATA Internationally recommended values of the Fundamental Physical Constants
  11. из отношения, определяющего зависимость свободной энергии от концентрации (парциального давления): G = G^\circ + RT ~ \mathrm{ln} \left ( \frac{p}{\displaystyle{p^\circ}} \right )
    2,30259 — модуль перехода (логарифмы)
  12. из соотношения E = hv = hc\bar{v}, где \bar{v} выражено в обратных сантиметрах см−1
  13. http://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?mu0%7Csearch_for=Vacuum+permeability CODATA Value: Vacuum permeability
  14. http://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?z0%7Csearch_for=characteristic+impedance+of+vacuum CODATA Value: Сharacteristic impedance of vacuum
  15. Bohr magneton. physics.nist.gov. Проверено 17 января 2015. Архивировано из первоисточника 3 сентября 2013.

Ссылки[править | править вики-текст]

См. также[править | править вики-текст]